專利名稱：利用廢棄礦井的壓縮空氣蓄能發(fā)電站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用廢棄礦井封閉后作為壓縮空氣貯存洞室，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣蓄能發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。主要用于電網(wǎng)的‘移峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相’等任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。并通過這種‘移峰填谷’運(yùn)行獲取電價(jià)的峰、谷差價(jià)收益。在最大限度滿足社會(huì)用電消費(fèi)的同時(shí)，節(jié)約大量的發(fā)電資源投資。屬于能源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能是最方便的能源。也是當(dāng)今人類使用最廣泛的能源。電能能夠以最簡單的方式轉(zhuǎn)化為其它能源形式，這使它成為人類對能源消費(fèi)需求的首要選擇。
然而電能除了以化學(xué)能形式保存的電池外，其它形式的電能都必須是發(fā)電、輸電、用電同步完成的平衡工作體系。由于人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)具有晝夜不同的特征，這使得電能的消費(fèi)也就具有了波動(dòng)非常大的峰、谷特征；在早上8點(diǎn)到晚上10點(diǎn)，是電能的消費(fèi)高峰，需要發(fā)電廠滿負(fù)荷發(fā)電，滿足用電需求。在晚上10點(diǎn)到第二天早上8點(diǎn)，是電能消費(fèi)的低谷時(shí)段，電量需求小，迫使許多發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷退出電網(wǎng)。而在實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行中，還有更加復(fù)雜的需求形態(tài)在一天當(dāng)中，還存在多個(gè)用電波谷、存在星期六、星期日的周末低谷，存在節(jié)假日低谷、存在一年四季不同的季節(jié)波谷等。
電能消費(fèi)的波谷特征是電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的大敵，由于大型發(fā)電機(jī)組、特別是火電機(jī)組和核電機(jī)組的起動(dòng)和并網(wǎng)是龐大的工程，其過程復(fù)雜又耗能巨大，需要時(shí)間長，同時(shí)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的壽命和安全，因而在電網(wǎng)的運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)組的頻繁并網(wǎng)與卸網(wǎng)是一種極力避免的行為。從安全與經(jīng)濟(jì)的角度來看，這類發(fā)電機(jī)組只適合帶基本負(fù)荷持續(xù)平衡運(yùn)行，與社會(huì)用電消費(fèi)的波、谷特征存在較大差異。這種差異就成為電網(wǎng)運(yùn)行的麻煩之‘源’。
同時(shí)，這種波、谷特性使電網(wǎng)必須按社會(huì)的最大用電量峰值配置發(fā)電能力，但在一天、一周、一年的很多用電低谷時(shí)間里發(fā)電能力又被大量閑置，造成非常大的發(fā)電資源失衡浪費(fèi)。在發(fā)電能力建設(shè)跟不上社會(huì)用電需求時(shí)還會(huì)發(fā)生這樣的尷尬現(xiàn)象白天電不夠用，被迫拉閘限電；晚上電用不完，發(fā)電機(jī)組紛紛“下崗”。而在一年的夏、冬季也存在類似的現(xiàn)象。
從電力科學(xué)規(guī)律和電力界的愿望來說，電網(wǎng)最理想的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)然是無波動(dòng)狀態(tài)。然而電能的社會(huì)消費(fèi)規(guī)律是并不以電力界的主觀愿望為轉(zhuǎn)移的。而從生產(chǎn)與消費(fèi)的關(guān)系角度看，顯然只能是電網(wǎng)去適應(yīng)用戶，面對這種差異，為了盡力保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電力界采取了下面的方針；一是實(shí)行峰、谷差價(jià)電價(jià)，利用經(jīng)濟(jì)手段來鼓勵(lì)公眾盡量在谷段多用電，而在峰段少用電。以盡量減少電網(wǎng)的波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)‘削峰填谷’的調(diào)節(jié)功能。目前有的地方峰谷電價(jià)差價(jià)巳高達(dá)3-5倍。
二是采用蓄能發(fā)電的轉(zhuǎn)換方式，利用專門的蓄能發(fā)電廠在低谷時(shí)段蓄能，而在用電高峰時(shí)段發(fā)電，在適應(yīng)社會(huì)用電規(guī)律的同時(shí)，保障電網(wǎng)的平衡運(yùn)行。
第一種方式在電網(wǎng)的‘削峰填谷’方面有一定的效果，然而也受到很大的限制，在生活用電方面，人們的‘晝出夜伏’的生活規(guī)律不可能因?yàn)殡妰r(jià)的差價(jià)而有明顯的改變。因而基本沒有效果。在生產(chǎn)用電方面，雖然低電價(jià)表面上對用電企業(yè)有吸引力，但實(shí)際上，如果企業(yè)因?yàn)橐归g電價(jià)便宜而多組織夜晚生產(chǎn)的話，則又需要額外支付加班費(fèi)、夜晚交通費(fèi)、夜餐費(fèi)、夜班組織管理費(fèi)等多項(xiàng)費(fèi)用，還有管理難度加大等難題，總節(jié)約率有限，反而打亂正常的工作安排，因而實(shí)際上很少有企業(yè)單純因?yàn)殡妰r(jià)的原因而主動(dòng)專門安排夜班生產(chǎn)。近年來隨著工資水平和各種費(fèi)用的上升，普通用電企業(yè)開夜班的興趣更是急劇下降。因而，針對直接用電戶的峰、谷差價(jià)電價(jià)方式在差價(jià)不太大時(shí)巳基本失去效用。除非繼續(xù)拉大峰、谷電價(jià)差距，重新使用電企業(yè)明顯有利可圖，否則這一方式的效應(yīng)將越加淡化。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量呈高速上升，并且是白天的峰值用電上升更快，使電網(wǎng)的峰、谷波動(dòng)也急劇擴(kuò)大，令電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都面臨越來越大的挑戰(zhàn)。為了在保障社會(huì)用電的同時(shí)，又保障電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，大力發(fā)展蓄能電站，巳成為電力界的高度共識(shí)和迫切需求。
蓄能電站是一種特殊的電站；它的發(fā)電動(dòng)力不是火能、核能、水能等自然能源，而是取自電網(wǎng)上其它發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，在用電低谷時(shí)段，蓄能電站將電網(wǎng)上多出社會(huì)用電量的多余電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌茉葱问饺缢埽諝鈮嚎s能、熱能等可貯存能源的方式儲(chǔ)備起來，而在用電高峰時(shí)段則反過來，將原先儲(chǔ)存的水能等用來推動(dòng)自己的發(fā)電機(jī)發(fā)電，并網(wǎng)后與電網(wǎng)上其它發(fā)電機(jī)組一起向用戶供電，滿足高峰時(shí)段的用電需求，從而使電網(wǎng)能夠適應(yīng)社會(huì)用電消費(fèi)的規(guī)律，安全、經(jīng)濟(jì)地滿足社會(huì)用電需要。從理論上看，當(dāng)蓄能電站在電網(wǎng)中占到一個(gè)合適比例的時(shí)候，總電網(wǎng)就可以按社會(huì)的一定時(shí)間內(nèi)的平均用電量配置發(fā)電資源，節(jié)約極為可觀的發(fā)電資源投資，或者說同樣的發(fā)電資源就可以支撐更多的社會(huì)用電量，創(chuàng)造更大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。
蓄能電站的發(fā)電原理與普通電站不同，它需要建立可逆向工作的能源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這使得蓄能電站的建設(shè)成本相當(dāng)高昂，因此盡管有多種方式可以實(shí)現(xiàn)蓄能發(fā)電，但目前具備相對商業(yè)可行性的僅有抽水蓄能電站一種，其它類型的蓄能電站由于建設(shè)成本和運(yùn)行成本的原因，基本上沒有能夠進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。
我們以傳統(tǒng)的抽水蓄能電站為例來觀察它的建設(shè)成本；它除了要建設(shè)普通水電站的水庫和發(fā)電廠以外，還需要裝備將水從下游重新抽往上游的巨型管道(隧道)等設(shè)備，并且它裝備的發(fā)電機(jī)通常是發(fā)電---電動(dòng)兩用同步機(jī)組，其造價(jià)高，運(yùn)行工況和管理又比普通發(fā)電機(jī)組復(fù)雜。因而導(dǎo)致它的發(fā)電成本居高不下，經(jīng)濟(jì)效益不好。使其對電網(wǎng)的‘削峰填谷’效能的經(jīng)濟(jì)性大打折扣。它能夠得到應(yīng)用，更多是為了保障電網(wǎng)的安全和出于保障供電周波等供電質(zhì)量，以及為火電、核電機(jī)組的負(fù)荷特性配套的需要。
其它類型的蓄能電站按建設(shè)造價(jià)來衡量就更加不經(jīng)濟(jì)，如常規(guī)思路的壓縮空氣蓄能電站要在山體或地下挖掘巨大的壓縮空氣貯存洞室，成本幾乎是天文數(shù)字，要靠峰、谷電價(jià)差價(jià)進(jìn)行正常經(jīng)營幾乎沒有可能，因而這類蓄能電站盡管能源轉(zhuǎn)換技術(shù)上毫無問題，但卻長期束之高閣，無法投入實(shí)際應(yīng)用。究其原因就是不具備經(jīng)濟(jì)合理性。
綜上所述，阻礙蓄能電站大規(guī)模應(yīng)用的原因是其高昂的建設(shè)成本，如果能夠大幅度降低這個(gè)成本，蓄能電站就可以大規(guī)模推廣，從而大大改善電網(wǎng)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性，更好地滿足社會(huì)用電需求，具有極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，要大規(guī)模發(fā)展蓄能電站，并且要能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，就必須解決它的建設(shè)成本難題。
發(fā)明技術(shù)內(nèi)容傳統(tǒng)的蓄能電站由于建設(shè)成本的原因而沒有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，這限制了它的大規(guī)模應(yīng)用，如果解決了成本難題，蓄能電站的前途則十分光明。
在蓄能電站的建設(shè)成本中，蓄能結(jié)構(gòu)部分占據(jù)了全部成本的大頭，而轉(zhuǎn)換、發(fā)電、變電設(shè)備和廠房只占小部分。因此，降低蓄能結(jié)構(gòu)這一部分的成本，是蓄能電站能夠在峰、谷電價(jià)差價(jià)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良性正常經(jīng)營的關(guān)鍵。
為了降低蓄能電站的成本，經(jīng)過長期研究，我們提出了利用廢棄礦井充當(dāng)壓縮空氣蓄能電站的蓄能洞室的發(fā)明思路。并以此為基礎(chǔ)，推出了本發(fā)明技術(shù)工程系統(tǒng)。
本發(fā)明的基本原理，就是利用己廢棄的礦井，經(jīng)過對礦井口的耐壓密封處理后，直接充當(dāng)貯存壓縮空氣的洞室，與空氣壓縮機(jī)組、氣輪機(jī)組、發(fā)電機(jī)組一起，共同構(gòu)成以壓縮空氣為蓄能介質(zhì)的蓄能電站。
這種結(jié)構(gòu)的蓄能電站由于省略了占大頭的蓄能結(jié)構(gòu)部分的建設(shè)成本，總造價(jià)非常低廉，僅為現(xiàn)有蓄能電站建設(shè)成本的幾分之一。建設(shè)成本攤?cè)雴挝话l(fā)電成本也只是現(xiàn)有蓄能電站發(fā)電成本的幾分之一。從而具備了十分理想的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
下面詳細(xì)敘述發(fā)明的工程技術(shù)結(jié)構(gòu)；本發(fā)明工程的主體結(jié)構(gòu)由廢棄礦井將井口封閉后形成的壓縮空氣貯存洞室，空氣壓縮機(jī)組、氣輪機(jī)組、發(fā)電機(jī)組、廠房、壓縮空氣管道、控制閥、變電站等所組成。
系統(tǒng)的基本工作原理是A 蓄能在夜間的低電價(jià)時(shí)段，系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)組開動(dòng)，向礦井洞室充氣，實(shí)現(xiàn)以壓縮空氣為介質(zhì)的蓄能B 發(fā)電在白天的用電高峰時(shí)段，系統(tǒng)貯存的壓縮空氣通過管道和閥門被送入氣輪機(jī)，氣輪機(jī)被壓縮空氣的釋壓膨脹能推動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，所發(fā)的電經(jīng)由變電站送入電網(wǎng)，向用戶供電，由此即完成一個(gè)蓄能發(fā)電循環(huán)如果每天充入洞室的壓縮空氣多于發(fā)電消耗的壓縮空氣，則系統(tǒng)處于長周期的蓄能狀態(tài)，這種狀態(tài)主要是用于夏、冬季的跨季度‘峰、谷’調(diào)節(jié)；在夏季電網(wǎng)的電量充足時(shí)進(jìn)行壓縮空氣貯存，而在冬季時(shí)用來發(fā)電。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)闡述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作過程

圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是系統(tǒng)工作在蓄能狀態(tài)時(shí)電能向空氣壓縮能轉(zhuǎn)換的能量流向圖。
圖3是系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)空氣壓縮能向電能轉(zhuǎn)換的能量流向圖。
圖4是多礦井組合成的蓄能洞室群結(jié)構(gòu)圖。
由圖1可見；整套系統(tǒng)由礦井洞室1、空氣壓縮機(jī)組2、發(fā)電機(jī)組3、氣輪機(jī)組4、充氣控制閥5、發(fā)電控制閥6、變電站7、廠房8、控制臺(tái)9、單向離合器10、11、總閥門12、變電開關(guān)13、輸電線路14、壓縮空氣輸送總管15所構(gòu)成。充氣控制閥5的一端連接到空氣壓縮機(jī)2的壓縮空氣輸出管上，另一端連接到壓縮空氣進(jìn)出洞室的總管15。發(fā)電控制閥6的一端連接到氣輪機(jī)4的進(jìn)氣管上，另一端也連接到壓縮空氣總管15上。
系統(tǒng)的工作過程如下由圖2可見；當(dāng)系統(tǒng)工作于蓄能狀態(tài)時(shí)，電能是由電網(wǎng)流向本系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)3帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)2工作，向洞室1充氣，實(shí)現(xiàn)蓄能。
由圖3可見；當(dāng)系統(tǒng)工作于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣被從洞室1釋放，通過管道15和閥門12、閥門6送入氣輪機(jī)4，驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)4帶動(dòng)電機(jī)3發(fā)電，電能的流向是由本系統(tǒng)流向電網(wǎng)，向用戶供電。
系統(tǒng)在蓄能與發(fā)電兩種工況之間的轉(zhuǎn)換由充氣控制閥5與發(fā)電控制閥6的分別開閉來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)充氣控制閥5打開而發(fā)電控制閥6關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)工作于蓄能工況，壓縮空氣是由空壓機(jī)2流向洞室1。當(dāng)充氣控制閥5關(guān)閉而發(fā)電控制閥6打開時(shí)，系統(tǒng)工作于發(fā)電工況，壓縮空氣是由洞室1流向氣輪機(jī)4。同時(shí)，控制臺(tái)9要對電機(jī)電路和變電站輸、配電電路分別進(jìn)行相應(yīng)的配合操作來實(shí)現(xiàn)工況的轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)的工況轉(zhuǎn)換可以按蓄能電站與電網(wǎng)公司商定的時(shí)間進(jìn)行。也可以由電網(wǎng)調(diào)度員根據(jù)電網(wǎng)的需求采用遠(yuǎn)動(dòng)方式直接遙控。以實(shí)現(xiàn)為電網(wǎng)配套的最佳狀態(tài)運(yùn)行。
系統(tǒng)的發(fā)電能力由洞室的貯存能力決定。大型系統(tǒng)由多個(gè)洞室組成洞室群，以得到大規(guī)模的壓縮空氣貯存能力，相應(yīng)的蓄能發(fā)電規(guī)模就可以同比例擴(kuò)大(見圖4)。
除了大型電站，本系統(tǒng)也同樣適用于小型電站、乃至通過一個(gè)小礦井封閉的小洞室為單家獨(dú)戶供電的微型發(fā)電機(jī)也同樣適用。適應(yīng)性非常廣。
系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以采用單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)，也可以采用發(fā)電---電動(dòng)兩用同步電機(jī)。采用兩用機(jī)時(shí)，發(fā)電--電動(dòng)機(jī)通過兩個(gè)單向離合器10、11分別與空氣壓縮機(jī)和氣輪機(jī)連接，這種連接的功能結(jié)構(gòu)是；當(dāng)系統(tǒng)工作于蓄能工況時(shí)，兩用機(jī)組是工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，單向離合器使電機(jī)與氣輪機(jī)脫開。而當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，氣輪機(jī)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，單向離合器使電機(jī)與空氣壓縮機(jī)脫開。
對于小型的蓄能電站，以及單個(gè)小礦井構(gòu)成的微型電站，空壓機(jī)也可以采用空氣驅(qū)動(dòng)、壓縮兩用機(jī)，這樣可以降低原始投資成本(可以省去氣輪機(jī))。
發(fā)明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明系統(tǒng)具備了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等三個(gè)方面的重大優(yōu)點(diǎn)。
在技術(shù)層面上；本系統(tǒng)具有能源轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工況轉(zhuǎn)換迅速，發(fā)電工況從啟動(dòng)到并網(wǎng)速度快，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
壓縮空氣的加壓貯存單純通過空氣壓縮機(jī)和控制閥門就可以實(shí)現(xiàn)，沒有中間環(huán)節(jié)，因而它的能量轉(zhuǎn)換損失小。轉(zhuǎn)換效率高。
空氣壓縮機(jī)是一種簡單機(jī)械，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作極為簡單，需要的操作人員很少，維護(hù)工作量也很少，運(yùn)行成本低。
氣輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的發(fā)電用蒸汽輪機(jī)是類似的，但它是在常溫下工作，結(jié)構(gòu)要求低得多，相應(yīng)的成本也要低得多。
系統(tǒng)工況從充氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電狀態(tài)只需開、閉控制閥5和6即可快速轉(zhuǎn)換。同時(shí)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到發(fā)電狀態(tài)時(shí)，貯存的壓縮空氣是壓力最高狀態(tài)。高壓空氣能量巨大，啟動(dòng)快速，加速度好，驅(qū)動(dòng)氣輪發(fā)電機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)規(guī)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間非常短，比起火電站、核電站等發(fā)電系統(tǒng)需要一個(gè)鍋爐逐步加溫升壓的較長時(shí)間過程來說，這個(gè)時(shí)間短得多。系統(tǒng)能夠以極快的速度并網(wǎng)，具備了適應(yīng)快速陡峭的用電量負(fù)荷上升曲線的優(yōu)異性能。特別是在電網(wǎng)的應(yīng)急調(diào)頻、調(diào)相和承載尖峰負(fù)荷沖擊方面可以達(dá)到對蓄能調(diào)峰電站的最高要求。甚至可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前并網(wǎng)速度最快的燃?xì)廨啓C(jī)電站，為電網(wǎng)在最大限度適應(yīng)社會(huì)的用電消費(fèi)規(guī)律的同時(shí)安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提供反應(yīng)最靈敏的最佳保障。
由于設(shè)備單純，工況轉(zhuǎn)換簡單，本系統(tǒng)可以方便地實(shí)行自動(dòng)控制的無人化運(yùn)行?？梢詫?shí)現(xiàn)由電網(wǎng)總調(diào)度員直接調(diào)度控制的高級(jí)模式。這又可以顯著降低成本。
在發(fā)電能力上，本系統(tǒng)可適應(yīng)非常寬廣的功率范圍，從單個(gè)村辦小礦井的幾百瓦功率的微型發(fā)電機(jī)到大型礦山城市的全部作廢礦井聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的幾十萬、甚至上百萬千瓦的大型蓄能電站，都可以運(yùn)作。
在‘峰、谷’調(diào)節(jié)能力的靈活性上，本系統(tǒng)特別優(yōu)越可以同時(shí)具備單日、周末、跨季度等‘多工況、跨工況運(yùn)行’能力，既可以對晝夜用電峰、谷進(jìn)行調(diào)節(jié)；也可以對一個(gè)星期內(nèi)的用電波、谷進(jìn)行調(diào)節(jié)；還能夠?qū)σ荒陜?nèi)的冬、夏用電波、谷實(shí)施調(diào)節(jié)。由于壓縮空氣在礦井內(nèi)的貯存并不受時(shí)間限制，只要礦井的密封性好，可以長期貯存，因此，在夏季水電充裕時(shí)，系統(tǒng)可以采用單日、周、季度進(jìn)行工況曲線(每天蓄大于發(fā))組合方式大量貯存，而在冬天時(shí)，進(jìn)行反向組合(每天發(fā)大于蓄)方式發(fā)電以彌補(bǔ)水電出力下降，減輕電網(wǎng)的不平衡度。當(dāng)然，這需要貯氣礦井群具有足夠大的容量，和足夠堅(jiān)固的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠貯存大數(shù)量的超高壓壓縮空氣。也可以采用多個(gè)礦山城市合并運(yùn)行的方法擴(kuò)大容量。
從技術(shù)結(jié)構(gòu)上來說，這種可以跨季度蓄能的蓄能電站可以與水電站發(fā)電能力的季度特征配套。實(shí)現(xiàn)一定程度的“夏電冬用”，如果得以實(shí)現(xiàn)的話，這將是電力運(yùn)行技術(shù)的一大創(chuàng)新，可以節(jié)約十分可觀的發(fā)電資源投資。并且改善了水電站在夏天豐水時(shí)棄水浪費(fèi)，而冬季枯水時(shí)又不能滿負(fù)荷出力、甚至無法出力的窘狀。從而也有效改善了電網(wǎng)供電的季度平衡性。
本系統(tǒng)的這種跨季度蓄能能力比抽水蓄能電站優(yōu)越，在夏季由于受到庫容的限制，抽水蓄能電站很難進(jìn)行長周期性的蓄能。而在冬季，則又因來水枯竭而難以運(yùn)作。相比之下，空氣的來源是無限供應(yīng)的。因此在洞室容積充足的情況下，本系統(tǒng)能夠進(jìn)行長周期性的電網(wǎng)峰、谷調(diào)節(jié)。
在經(jīng)濟(jì)層面上；本系統(tǒng)由于省掉了占大頭的能源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)部分的建設(shè)成本，總造價(jià)僅是現(xiàn)有任何同功率電站(包括現(xiàn)有的任何蓄能電站)的幾分之一，分?jǐn)偟桨l(fā)電成本上，其單位發(fā)電量的成本也就僅是其它類型電站發(fā)電成本的幾分之一，具有極好的經(jīng)濟(jì)效益。
在社會(huì)層面上；本系統(tǒng)可以產(chǎn)生優(yōu)異的社會(huì)效益。
眾所周知，礦產(chǎn)資源的開采是人類物質(zhì)財(cái)富和物質(zhì)文明的前提，在人類漫長的物質(zhì)文明歷史中，礦藏的開采伴隨著人類的文明進(jìn)程。而每個(gè)具體礦井的礦藏資源總是有限的，隨著開采時(shí)間的流逝，大量礦藏被采盡的礦井被人們廢棄，成為棄井。
棄井在人們過去的觀念中，是典型的廢物，并且還因?qū)Φ叵滤奈廴?、造成地面沉降，進(jìn)而威脅城鎮(zhèn)地質(zhì)安全等負(fù)面作用遭到人們的抨擊。同時(shí)還是對人們生命安全的潛在危險(xiǎn)物，在礦業(yè)安全規(guī)程中，就對棄井有專門的最后封井處理規(guī)定。
在人類的城市發(fā)展進(jìn)步歷史中，有兩種脈絡(luò)特征，一種是依托河流水源，另一種就是依托礦藏。時(shí)至今日，我們?nèi)匀豢梢钥匆娫S多城市是圍繞礦山的開采而建立起來的。在我國如萍鄉(xiāng)市、大同市、攀枝花市等均是典型的礦山城市。這些城市是所謂的單一資源依賴型城市，礦藏資源的開采是其經(jīng)濟(jì)龍頭產(chǎn)業(yè)，其它的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)基本上都是圍繞、依附于采礦業(yè)而形成的。
任何地方的礦藏資源總是有限的。隨著資源的枯竭，這些礦山城市、礦山企業(yè)的發(fā)展及其公眾的生存都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在我國，這類礦藏資源枯竭城市數(shù)量不少，國家每年都要耗費(fèi)巨資協(xié)助這些城市進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和公眾救濟(jì)，但時(shí)至今日，由于難度大，貧困人口多，收效甚微。在世界上這也是一個(gè)公認(rèn)的難題，是各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大包袱。
因此我們在礦藏資源枯竭城市(鎮(zhèn))就看見這樣的現(xiàn)象；一方面是地下大量縱橫交措，總長達(dá)幾十、上百、甚至數(shù)百公里的作廢礦井被作為廢物而拋棄，另一方面是城市的衰敗和人口的日益貧困。并且這一現(xiàn)象還正在加速嚴(yán)重化。
本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施將為這些城市和礦山企業(yè)開創(chuàng)資源再造的新曙光。
本系統(tǒng)的第一個(gè)社會(huì)效益功能就是將大量的作廢礦井重新轉(zhuǎn)變成為了資源，而且是永遠(yuǎn)不再枯竭的二次發(fā)電資源。
本系統(tǒng)的第二個(gè)功能就是為這些城市的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)造條件，原來的資源枯竭礦山企業(yè)可以部分或者全部轉(zhuǎn)換成為二次發(fā)電企業(yè)。依托低廉的谷底電價(jià)電力，可以創(chuàng)辦其它類型的新興產(chǎn)業(yè)。為當(dāng)?shù)毓姷木蜆I(yè)和生活改善創(chuàng)造新機(jī)會(huì)。也為當(dāng)?shù)爻鞘袆?chuàng)造新的稅源和發(fā)展的新機(jī)會(huì)。一些礦產(chǎn)資源枯竭的城市有可能重新煥發(fā)青春，在大型礦山城市，甚至可以形成相當(dāng)大規(guī)模的二次發(fā)電能力，由過去的礦藏資源枯竭城市轉(zhuǎn)變成為新興的二次電力供應(yīng)城市。由于電力是最方便于遠(yuǎn)距離輸送的能源，這就為跨大區(qū)域優(yōu)化配置能源建立了一個(gè)新的良好平臺(tái)。有望在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本是平衡運(yùn)行的大電網(wǎng)。
從供電電網(wǎng)的平衡運(yùn)行需求來看，這一優(yōu)點(diǎn)還可以采用‘錯(cuò)時(shí)供電’的方式來實(shí)現(xiàn)即礦山城市在建設(shè)具備了足夠規(guī)模的二次發(fā)電能力后，大電網(wǎng)對這類礦山城市只在夜間谷底時(shí)供電供其貯存，白天的用電則由其蓄能電站承擔(dān)。達(dá)到這類礦山城市‘谷段電網(wǎng)遠(yuǎn)供，峰段就近使用’的供、用電模式，這樣的供、用電模式可以減少蓄能電站發(fā)電時(shí)向電網(wǎng)回送電力的線路損耗和大電網(wǎng)上主力機(jī)組的波動(dòng)沖擊，將使電網(wǎng)的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)和安全。也大為減輕了這類經(jīng)濟(jì)困難城市及其公眾的電費(fèi)總支出(相當(dāng)于這些城市常年使用谷段的低價(jià)電)，為其產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和普通公眾的生活改善創(chuàng)造一定的條件。
此外，在棄井改造為貯氣洞室后，由于洞室今后將長期處于高壓空氣的壓力抵抗作用下，地下水對礦井的滲入和地面的塌陷都將得到控制，使環(huán)境質(zhì)量得到改善。也改善了這些城市的地質(zhì)安全。
實(shí)施方式本發(fā)明的實(shí)施并不復(fù)雜，甚至比建設(shè)一座同規(guī)模的普通電站還要簡單只需將廢棄礦井作好地質(zhì)檢查和相應(yīng)處理，然后將洞口用水泥、鋼材等作好耐壓封閉。在封閉體上安裝一根壓縮空氣進(jìn)出洞室的主管道15，管道上再安裝好一個(gè)總閥門12后將管道引入發(fā)電機(jī)廠房8，引進(jìn)廠房8后管道分為兩路，一路連接充氣控制閥5后與空氣壓縮機(jī)2連接好、另一路連接發(fā)電控制閥6后與氣輪機(jī)4連接好，即完成了電能與空氣壓縮能兩種能源之間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的建設(shè)實(shí)施。
發(fā)電與輸電部分的建設(shè)與普通電站是一樣的。
權(quán)利要求
1一種利用廢棄礦井作為壓縮空氣貯存洞室的壓縮空氣蓄能發(fā)電站，由將廢充礦井的井口進(jìn)行耐壓封閉后形成的洞室作為壓縮空氣貯存洞室，并與空氣壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、氣輪機(jī)、壓縮空氣輸送管道、壓縮空氣控制閥門、變電換流站、廠房所共同組成，其特征是作為蓄能介質(zhì)的壓縮空氣是被貯存在由廢棄的礦井封閉后形成的洞室內(nèi)。
2根據(jù)權(quán)利要求1的壓縮空氣蓄能洞室，其特征是礦井口的封閉是采用耐壓封閉結(jié)構(gòu)，封閉體要達(dá)到足夠的厚度，在封閉體中間埋有一根供壓縮空氣進(jìn)出洞室的輸送管道，管道上裝有一個(gè)控制壓縮空氣進(jìn)出洞室的總閥門。
3根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的壓縮空氣貯存洞室群，其特征是每個(gè)作廢的礦井可以單獨(dú)進(jìn)行封閉，然后在洞外將各個(gè)洞室的壓縮空氣輸送管道連接起來。
4根據(jù)權(quán)利要求1的壓縮空氣蓄能發(fā)電站，其特征是電站的空氣壓縮機(jī)出氣管通過一個(gè)控制閥門連接到洞室的輸送管道上，形成一個(gè)蓄能氣體通道，電站在蓄能工況時(shí)生產(chǎn)的壓縮空氣由此通道進(jìn)入洞室貯存。
5根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4的壓縮空氣蓄能發(fā)電站，其特征是電站的氣輪機(jī)的進(jìn)氣管通過一個(gè)控制閥門連接到洞室的輸送管道上，形成一個(gè)發(fā)電氣體通道，電站在發(fā)電工況時(shí)貯存在洞室內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由此通道進(jìn)入氣輪機(jī)，推動(dòng)氣輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電向用戶供電。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用廢棄礦井的壓縮空氣蓄能發(fā)電站。其最大特點(diǎn)是將廢棄礦井的井口進(jìn)行耐壓封閉后形成的洞室作為壓縮空氣貯存洞室，在電網(wǎng)用電低谷時(shí)段時(shí)，從電網(wǎng)上取多出社會(huì)用電量的富余電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)向洞室內(nèi)充氣進(jìn)行蓄能，而在社會(huì)用電高峰時(shí)段時(shí)，則將壓縮空氣從洞室釋放用于驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電向用戶供電，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)的峰、谷調(diào)節(jié)。發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將廢棄礦井這種有害廢物重新轉(zhuǎn)化為了用于二次發(fā)電的有用資源，并由此節(jié)約大部分的蓄能電站建設(shè)成本。創(chuàng)造出非?？捎^的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
文檔編號(hào)F03G7/00GK1707098SQ20041002274
公開日2005年12月14日 申請日期2004年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者申朗 申請人:申朗